量子技术的核心在于对量子比特——也就是量子世界里的“0”和“1”——的精准操控和读取。想象一下，如果读取信号时，“0”和“1”看起来模糊不清，那么基于它构建的量子计算机或传感器就无法可靠工作。这种清晰度，我们称之为“读出对比度”，是开发实用量子器件的关键瓶颈。
一、理论先行：应变如何增强读出对比度
图一：应变对量子比特能级和跃迁速率的理论计算结果。
研究的起点是深入的理论分析。团队首先通过第一性原理计算，系统地研究了不同方向的应变（挤压或拉伸）如何影响碳化硅中“双空位”缺陷（一种性能优异的量子比特）的内部物理性质。计算结果揭示了高对比度背后的核心物理机制：应变能够有效调整量子比特内部的能级结构，并精确调控电子在不同能级间跃迁的“路线”——即辐射跃迁（发光）和非辐射的系间窜越（不发光）的竞争关系。
理论模型明确指出，特定的压应变能够显著加速非辐射跃迁过程，使得量子比特的两个自旋态（“0”和“1”）在光照下的亮度差异变得极为悬殊。这就像是把一个原本亮度差不多的灯泡，通过施加压力，让它在一个状态下变得极亮，另一个状态下变得极暗，从而极大地提升了区分度。理论预测，通过施加约-2%的纵向应变，读出对比度可以实现接近60%的巨大提升。
二、实验验证：在SiCOI平台提升的自旋对比度
图二：实验测得的高达60.6%的Rabi振荡对比度，证实了理论预测。
为了在实验中实现理论预测的巨大应变，团队巧妙地选择了一种名为“绝缘体上碳化硅”（SiCOI）的先进材料平台。这种材料在制备过程中，由于不同材料层之间的晶格失配，会自然地形成一个高达-2%的巨大内禀压应变场，这正与理论计算所需的最佳条件不谋而合。
研究人员在该平台上成功制备并定位了单个双空位量子比特。通过一系列精密的量子操控实验，他们测量了该量子比特的光学和自旋特性。结果令人振奋：在室温下，实验观测到的量子比特读出对比度（通过Rabi振荡测量）达到了创纪录的60.6%，是传统块状碳化硅材料中同类量子比特（约30%）的两倍以上，且与理论预测高度吻合。这一结果强有力地证明，利用材料的内禀应变是增强量子比特读出性能的一种极其有效的策略。
三、机理探索：解密高对比度背后的自旋动力学
为了进一步确认高对比度现象的物理根源，研究团队进行了自旋态分辨的荧光寿命测量。实验清晰地显示，在应变作用下，代表“0”和“1”的两个自旋态在被激光激发后，其发光持续时间（即寿命）出现了显著差异（分别为11.1纳秒和4.9纳秒）。正是这种寿命的巨大不同，直接导致了荧光亮度的巨大差异，从而产生了高对比度的读出信号。
图三：自旋态分辨的荧光寿命测量，揭示了高对比度的物理根源。
通过将实验数据与该量子比特的五能级理论模型进行拟合，研究证实了应变确实增强了特定的非辐射跃迁速率，其结果与第一性原理的理论计算完美契合。这形成了一个从第一性原理预测，到实验平台实现，再到动力学过程验证的完整闭环，深刻揭示了应变增强对比度的内在物理机制。
该研究通过理论与实验的紧密结合，首次系统地阐明并验证了应变工程是调控碳化硅量子比特系间窜越速率、进而大幅提升其室温读出对比度的有效手段。团队利用SiCOI平台的内禀应变，在实验上实现了超过60%的自旋读出对比度，这是该领域的一项重要突破。
这项成果所建立的“应变工程”策略具有良好的普适性，不仅为优化碳化硅量子比特性能提供了清晰的路线图，也可以推广到金刚石、二维材料等其他固态量子体系中。它为开发无需昂贵制冷设备、可在室温下稳定工作的高性能量子传感器、量子网络节点等实用化量子器件铺平了道路。
该论文以《Strain-Enhanced Spin Readout Contrast in Silicon Carbide Membranes》为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被选为Editors’ Suggestion，哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生胡海搏、匈牙利维格纳物理研究中心博士后卞国栋、中科院上海微系统与信息技术研究所伊艾伦副研究员为共同第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海/周宇教授，中科院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员，匈牙利维格纳物理研究中心Ádám Gali教授为论文的共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市基础研究专项以及广东省量子科学战略计划等项目的支持。
文章信息：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/tdb3-tqfv
撰稿|课题组
